Создание полностью искусственной клетки в лаборатории это одно из заветных мечтаний ученых всего мира. Получение синтетической клетки стало бы огромным шагом на пути понимания тайны жизни в целом. Однако эта задача крайне сложна, ведь даже такая небольшая частичка живой материи, как клетка, является невероятно сложным объектом с точки зрения происходящих в ней химических и физических процессов.

Клетка способна пропускать в себя полезные вещества и защищаться от многих вредных, в ней происходят сложнейшие процессы метаболизма, она может делиться. Поэтому ученые стараются действовать шаг за шагом, создавая отдельные элементы.

В частности, международная группа ученых в Сингапуре работает над созданием «умных» мембран, которые бы обладали хотя бы частью функций, присущих живой клеточной оболочке. В 2019 году к этой группе присоединилась аспирантка Научно-образовательного центра «Инфохимии» Университета ИТМО Анна Никитина.

«В декабре 2018 года мне предложили приехать в Сингапур и поработать под руководством профессоров Новоселова и Андреевой. Там они занимаются созданием адаптивных мембран, — рассказывает Анна Никитина. — Большая идея создание искусственной клетки ― началась с создания синтетической мембраны, которая могла бы селективно, как мембрана нашей клетки, пропускать ионы калия».

Анна Никитина в Сингапуре. Фото из личного архива
Анна Никитина в Сингапуре. Фото из личного архива

Графеновый «сэндвич»

Как известно, мембрана клетки не только удерживает внутри себя ее содержимое, но и способна пропускать при некоторых условиях необходимые ионы. Если клетке не хватает соли, то она впитывает через свою оболочку ионы натрия. Однако этот процесс, постоянно происходящий в миллиардах наших клеток, крайне сложно воссоздать искусственно.

Для этого ученые решили использовать материал на основе оксида графена и так называемых полиэлектролитов. Графен, за создание которого и получил Нобелевскую премию Константин Новоселов, представляет собой одноатомарный слой углерода, имеющий шестиугольную кристаллическую решетку. Его оксид обладает заряженными функциональными группами на поверхности, что позволяет прикрепить к нему очень большие по своему размеру молекулы полиэлектролитов, специальных полимеров. В результате создается тончайший материал с двумя слоями молекул оксида графена и полимера.

Толщина этого «сэндвича» всего 250 нанометров. Сложная структура определяет динамические адаптивные свойства. Уже на стадии синтеза мембрану можно «запрограммировать», варьируя рН среды.

Константин Новоселов в Университете ИТМО. Источник: infochemistry.ru
Константин Новоселов в Университете ИТМО. Источник: infochemistry.ru

Ионный канал

Ученым потребовалась длинная череда экспериментов, чтобы определить оптимальные условия для синтезирования мембраны, которые обуславливают селективное пропускание ионов калия. При этом частицы проходят сквозь мембрану не всегда, а только тогда, когда среда становится достаточно кислой.

«Нам удалось показать, что наша мембрана может селективно пропускать ионы калия и не пропускать другие щелочные катионы (положительно заряженные ионы — прим. ITMO.NEWS), — рассказывает Анна. — Это происходит в зависимости от среды, которая граничит с мембраной. Калий проходит только в кислой среде, в щелочной мембрана закрыта для транспортировки катиона. Почему это происходит? Кислая среда насыщена протонами, которые меняют заряд поверхности мембраны, что и позволяет катионам мигрировать сквозь нее».

Более того, ученым удалось обнаружить, что ионы калия могут не только при определенных условиях проникать сквозь мембрану, но и инициировать формирование ионных каналов для других катионов.

«Умная» мембрана
«Умная» мембрана

«К примеру, мы делаем эксперимент с катионами цезия, они не проходят, — рассказывает Анна Никитина. — В середине эксперимента мы добавляем катионы калия, которые мигрируют через мембрану сами по себе и, помимо этого, тянут за собой цезий. То есть калий создает каналы еще и для цезия. Мы назвали это "транзисторным эффектом". И очень интересно исследовать дальше и понять, какие еще эффекты мы можем наблюдать».

Сейчас исследования продолжаются. В будущем мембраны с подобными свойствами могут пригодиться далеко не только для экспериментов по созданию искусственных клеток. Подобные адаптивные мембраны могут быть использованы для разных отраслей пищевой и фармацевтической промышленности.

Статья: Daria V. Andreeva, Maxim Trushin, Anna Nikitina, Mariana C. F. Costa, Pavel V. Cherepanov, Matthew Holwill, Siyu Chen, Kou Yang, See Wee Chee, Utkur Mirsaidov, Antonio H. Castro Neto & Kostya S. Novoselov. Two-dimensional adaptive membranes with programmable water and ionic channels. Nature Nanotechnology, 2020/10.1038/s41565-020-00795-y

Перейти к содержанию